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Enzimas y
Biodispersantes
en la fabricación
de papel
RESUMEN
Las aplicaciones de enzimas formuladas y biodispersantes se están viendo a un ritmo creciente
en la fabricación de papel. Este artículo discutirá
algunos antecedentes referentes a usos
industriales actuales y emergentes, experiencias
prácticas de fábricas y desarrollos actuales de
enzimas y bio-dispersantes. Se revisarán
aplicaciones y usos en tratamiento de agua,
tratamiento de pulpa, control de pitch, destintado
y control de depósitos en máquinas.
INTRODUCCIÓN
Las enzimas y bio-dispersantes han ganado atención
en los últimos años, pero no son componentes nuevos en
el proceso de fabricación de papel. Las amilasas han sido
largamente utilizadas para depolimerizar almidones de prensa encoladora. Los dispersantes de uso general en máquinas de papel, ahora a menudo denominados como biodispersantes, se han estado usando por muchos años. El
uso de detergentes y surfactantes para control de lama
mediante dispersión data desde 1950 y fue introducido por
el Dr. Stanley Buckman. Mucho del renovado interés en enzimas y bio-dispersantes se ha originado por dos factores.
Primero, un deseo por mejorar la aceptabilidad ambiental
del control convencional de lama ha impulsado la evaluación de los bio-dispersantes. Segundo, se ha percibido un
beneficio ambiental y de riesgos personales en el uso de
productos naturales basados en enzimas.
Nuestra compañía ha desarrollado tecnología patentada de entera propiedad para la estabilización de enzimas
formuladas. Esto permite el almacenamiento y manejo de
enzimas estabilizadas en fábricas de pulpa y papel de la
misma forma que los productos químicos de especialidad
convencionales.
La tecnología de bio-dispersantes y desarrollos recientes incluyen productos convencionales y patentados los
cuales trabajan bien para:
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CELULOSA Y PAPEL
Gerald M. Dykstra
Gerente de Desarrollo de
Productos de Pulpa y Papel
Investigación y Desarrollo
Buckman Laboratories
International
M. Tod Stoner
Gerente de Productos
Tecnologías Papeleras
Buckman Laboratories, Inc.
• Dispersión de lama
• Control de pitch
• Dispersión de depósitos de almidón
• Destintado/drenaje de fibras secundarias
• Pre-blanqueo de pulpas
• Boilouts libres de ácido y álcali
DEFINICIONES: BIO-DISPERSANTES
¿Qué son los bio-dispersantes? Bio-dispersantes son
compuestos formulados los cuales son usados solos o con
enzimas para impedir la formación de biofilm. Ellos trabajan disminuyendo o evitando la formación y adhesión de
micro colonias bacterianas a las superficies. Pueden ser
compuestos mono moleculares, polímeros, o formulaciones altamente especializadas que contienen surfactantes,
dispersantes orgánicos, penetrantes, quelantes y estabilizadores.
VENTAJAS/DESVENTAJAS DE LOS
BIO-DISPERSANTES
Las ventajas de los bio-dispersantes son:
• Dispersión de biofilmes
• Reducción en el uso de biocidas
• Bio-degradabilidad
• Funcionalidad sobre un amplio rango de
composiciones de pulpas y condiciones de fábricas
Las desventajas de los bio-dispersantes son
• A menudo no pueden ser usados solos para el
control total de biofilm
• Uso excesivo puede causar problemas con las
propiedades del papel terminado
PRINCIPALES CLASES DE BIO-DISPERSANTES
Las principales clases de bio-dispersantes incluyen:
• Penetrantes
• Surfactantes
• Surfactantes poliméricos
• Dispersantes basados en lignina y acrilatos
[Artículo Técnico] ASOCIACION TECNICA DE LA CELULOSA Y EL PAPEL
USOS TÍPICOS DE BIO-DISPERSANTES
Ejemplos de usos de bio-dispersantes incluyen:
• Uso como parte de programas de dispersión de bio
films junto con enzimas o biocidas convencionales
• Uso en aditivos de limpieza y boilouts
• Uso como auxiliares en destintado y repulpeo de
fibras secundarias
DEFINICIONES: ENZIMAS
Las enzimas son catalizadores solubles, coloides, producidos por organismos vivos. Químicamente, las enzimas
son proteínas y son solubles en algún grado en agua, glicerina y etanol diluido. Pueden ser desactivadas por cambios en pH o temperatura; esto puede ser reversible.
El tamaño físico de las enzimas varía considerablemente. Con el objeto de que las enzimas puedan funcionar, sus
redes de proteínas necesitan ser mantenidas en trayectorias bastante rígidas. Estas cadenas de polipéptidos o unión
de cadenas poseen centros activos, los cuales consisten
de todos los residuos de aminoácidos, como también de
cadenas laterales, necesarias para un modo particular de
enlace al substrato.
En un modelo de proteína, cada giro de una hélice-alfa
de Pauling con 3.7 residuos de amino ácidos representa
un peso molecular de alrededor de 500. Para prevenir la
destrucción rápida de la cadena se necesitan al menos 5
giros de la cadena helicoidal para permitir la unión a un
substrato y al menos 3 cadenas fijas con enlaces hidrógeno y puentes azufre. Esto da un peso calculado mínimo de
alrededor de 7000 Daltons para que una enzima funcione
como catalizador estable para la degradación de substratos estables comunes. Pesos moleculares publicados para
las enzimas industriales más comunes varían desde alrededor de 20,000 a 250,000 Daltons.
PESOS MOLECULARES DE ENZIMAS
• Peso mínimo de 7,000 requerido para que una
enzima funcione como un catalizador estable en
la degradación de substratos comunes estables
• Alfa-amilasas
67,000 – 76,000
• Celulasas
23,000 – 92,000
• TAG lipasas
33,000 – 35,000
• Proteasas
27,300 – 27,500
• Xilanasas
101,000 – 253,000
Artículo Técnico
VENTAJAS / DESVENTAJAS DE LAS ENZIMAS
Las ventajas de las enzimas incluyen especificidad, biodegradabilidad, más una habilidad para funcionar a muy
bajas concentraciones a temperaturas medias. Un ejemplo es la catalasa la cual funciona bien aún en concentraciones de monocapa. A menudo la inhibición o destrucción de la catalasa es necesaria en fábricas que usan peróxido de hidrógeno para blanqueo de fibras secundarias,
ya que la catalasa es muy eficiente en la degradación de
peróxido de hidrógeno.
2 H 2 O 2 ——> 2 H 2 O + O 2
Las desventajas de las enzimas pueden incluir la necesidad de purificación para eliminar sitios activos no deseados, velocidades de reacción menores que las deseadas,
estabilidad pobre a largo plazo, desactivación por ciertos
metales y funcionalidad sobre un reducido rango de pH,
resistencia iónica y temperatura.
PRINCIPALES CLASES DE ENZIMAS
INDUSTRIALES
Las principales clases de enzimas industriales útiles en
procesos de pulpaje y de fabricación de papel son:
Amilasas
Celulasas
• Lipasas
• Proteasas
• Xilanasas
•
•
USOS TÍPICOS DE ENZIMAS
Las amilasas son muy eficientes para limpieza de estanques de almidón cocido, sistemas de encolado de almidón que incluyen cuchillas encoladoras, sistemas de adhesivo para corrugado y prensas de encolado, como también en la conversión de perlas de almidones para encolado en masa o prensa encoladora. Este tipo de aplicación
continúa ganando aceptación y es muy popular en fábricas que buscan evitar el uso de soda cáustica en las limpiezas. Las amilasas también son útiles en boilouts enzimáticos donde el adhesivo primario en los depósitos lo
constituye el almidón.
Se ha demostrado que las celulasas mejoran el destintado de fibras secundarias. Ellas son usadas en conjunto
con ayudantes de flotación para reducir considerablemente los conteos de pintas en pulpas destintadas de mercado, procesadas a partir de mezclas de papel blanco (MOW).
También se han demostrado mejoras en el drenaje de pastas de fibras secundarias mediante el uso de celulasa en
lugar de refinación adicional.
CELULOSA Y PAPEL
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Las lipasas pueden ser usadas en control de pitch en
pulpas kraft, sulfito y termomecánicas mediante el rompimiento de pitch y resinas de madera hacia triglicéridos simples. Con bajos niveles de lipasa (1–2 ppm), también se
puede controlar el exceso de pitch en clarificadores, el cual
puede causar excesiva flotación de fibra.
Las proteasas son útiles en la prevención de la acumulación rápida de biofilms en sus dispersiones. Se ha demostrado la habilidad de enzimas formuladas, que contienen
proteasas, en mantener los circuitos cortos de máquinas de
papel prensa y papeles alcalinos finos, tanto o más limpios
que con productos convencionales de control de lama, reduciendo además la toxicidad del efluente general.
TOXICIDAD DE EFLUENTES:
EVALUACION DE ENZIMAS Y BIODISPERSANTES EN
MAQUINA DE PAPEL FINO ALCALINO
• Surfactantes que destruyan las propiedades del en
colante
• Surfactantes que causen o estabilicen la espuma su
perficial
• Surfactantes que puedan producir aire atrapado en la
pasta
• El uso de mezclas poco definidas de enzimas para
resolver “todo” tipo de problemas
EFECTO DE BIO-DISPERSANTES Y ENZIMAS EN
LAS PROPIEDADES DEL PAPEL
En los primeros trabajos con enzimas formuladas para
dispersión de lama, se encontró que algunas proteasas
comerciales contenían niveles bastante altos de amilasas.
Aún cuando estas proteasas trabajan bien en formulaciones para boliouts enzimáticos, ellas pueden tener un efecto nocivo sobre el encolado para pastas alcalinas que contienen almidones como aditivo, ya sea del extremo seco o
húmedo. Cuando se utilizan proteasas más limpias las cuales tienen muy poca o no poseen actividad lateral de amilasa, existe muy poco efecto o ninguno de la proteasa comercial sobre las propiedades de encolado del papel.
EJEMPLOS DE EFECTO ENZIMATICO
SOBRE LAS PROPIEDADES DE ENCOLADO
DIFICULTADES EN LAS APLICACIONES CON
ENZIMAS
Se presentan algunos peligros que se deben evitar con
enzimas proteolíticas usadas para dispersión de lama. El
uso de enzimas proteasas con una contaminación lateral
de amilasa para control de depósitos en la máquina puede
causar:
• Pérdida de propiedades de resistencia en seco
• Pérdida de los efectos del almidón catiónico
• Mayores cargas de DBO
• Degradación de azúcares del almidón de la prensa
encoladora en el recorte
• Potenciales problemas de lama provenientes de azú
cares que aceleran el crecimiento de lama
En boilouts enzimáticos, el uso de proteasa con actividades laterales puede ser un beneficio, ya que enzimas
adicionales presentes en menores proporciones ayudan a
dispersar y solubilizar diferentes componentes en los depósitos.
Para aplicaciones en máquinas, las formulaciones enzimáticas debieran evitar la presencia de:
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CELULOSA Y PAPEL
Debido a que algunos bio-dispersantes contienen surfactantes, estos también necesitan ser probados a dosis
recomendadas en pastas en conjunto con un blanco sin la
adición de bio-dispersante o enzima. Estudios con hojas
de laboratorio han correlacionado bastante bien con resultados vistos en máquinas de papel.
EXPERIENCIAS DE EVALUACIONES EN PLANTA
CON BIO-DISPERSANTES Y ENZIMAS
Experiencias de evaluaciones y aplicaciones en planta
con bio-dispersantes y enzimas para circuitos cortos de
máquinas de papel fino alcalino han confirmado resultados predecidos en estudios de laboratorio. Biofilm todavía
se forma pero sus características físicas son muy diferentes a las de aquellos provenientes de máquinas con tratamientos convencionales. El biofilm sobre las superficies tra-
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EJEMPLOS DE EFECTO BIODISPERSANTES
SOBRE ENCOLADO HIST
Artículo Técnico
A continuación se muestra un ejemplo de la reducción
de cloro y soda cáustica seguido por otro ejemplo que
muestra una mejora en blancura durante las primeras dos
etapas del blanqueo usando una xilanasa estabilizada en
pulpa kraft de latifoliada.
XILANASA ESTABILIZADA PRA PRETRATAMIENTO
CON CLORO Y REDUCCION DE SODA EN PULPA DE
BAGASO
tadas con una combinación de bio-dispersante y enzima
es mucho más esponjoso y menos firmemente adherido.
Es fácilmente removido durante lavados de rutina y cae
cuando es removido manualmente, mientras que los limos
típicos tienen mayor integridad y se mantienen unidos.
Formulaciones basadas en amilasa son muy eficientes en
reducir depósitos de almidón y lodos a polisacáridos más simples. Se requieren tiempos de limpieza tan cortos como 3060 minutos para limpiar superficies metálicas con una solubilización completa de almidones depositados en tanques de
almidón cocido, líneas de recirculación, y sistemas de prensa
encoladora. Se pueden utilizar temperaturas de hasta 100ºC
para el agua de recirculación con formulaciones de amilasa
termoestable; normalmente 55ºC o mayor es muy satisfactorio para limpiezas cortas, mientras que temperaturas más
suaves pueden ser usadas si se dispone de tiempos más largos para la recirculación del agua y enzima.
REMOCION DE DE DEPOSITOS DE ALMIDON
CON AMILASA FORMULADA
EFECTO DE LA ADICCION DE XILANASA
ESTABILIZADA SOBRE LA BLACURA DE LA PULPA
KRAFT DE BAGASO VS CLORO MULTIPLE DESPUES
DE BLANQUEO C-E
Para usos en máquina, a menudo los dispersantes se usan
en un rango de 5-20 ppm y hasta 1000 ppm en aplicaciones
de limpieza y boilouts. Para boilouts, se puede utilizar una
combinación de enzimas y bio-dispersantes basados en el
tipo de depósitos. En los siguientes dos ejemplos se usó un
control positivo de productos convencionales de boilout.
EFECTIVIDAD DE DIFERENTES
BIODISPERSANTES EN LA REMOCION DE
DEPOSITOS DURANTE BOILOUT
Las xilanasas para pre-blanqueo trabajan bien sobre un
rango de pH de 6 a 8.5 hasta 9 y temperaturas en un rango
de 50 a 75ºC, con un tiempo de contacto de 1.5 a 3 horas.
Estudios recientes indican que las xilanasas a menudo son
mucho más efectivas cuando se usan a dosis bajas para
minimizar cualquier pérdida de rendimiento de la pulpa.
CELULOSA Y PAPEL
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EFECTIVIDAD DE DIFERENTES ENZIMAS
FORMULADAS EN LA REMOCIÓN DE DEPOSITOS
DURANTE BOILOUT
Las lecturas de biomasa (valores de BMR) para este
estudio correlacionaron con valores de conteos de 105 (valores menores de BMR cercanos a 1.0) a 106 (valores mayores de BMR cercanos a 3.0).
El uso de enzimas y bio-dispersantes para control de
depósitos en el circuito corto resulta en una menor toxicidad en el efluente de la máquina de papel y el efluente
combinado de la fábrica, esto se pude medir al interior de
la fábrica mediante el procedimiento Microtox. Esto permite a las fábricas permanecer bien por debajo de los límites
de toxicidad definidos y monitorear las variaciones en la
calidad del agua o uso excesivo de preservantes convencionales en sistemas más atrás o mercados de pulpas.
El crecimiento biológico puede ser monitoreado fácilmente durante las pruebas con una unidad HMBTM y reportada como lectura de biomasa. Estas lecturas se pueden correlacionar o ser convertidas a conteos de placas
mediante la unidad HMBTM después de su calibración. En
los siguientes dos ejemplos, las lecturas en el Día 5 y Día
10 aumentan lo cual demuestra que los organismos están
siendo dispersados desde los biofilms. En el Día 15, hay
una estabilización de lecturas que muestra que hay un incremento gradual en el biofilm adherido después del número inicial más alto de organismos dispersados.
LECTURAS DE BIOMASA:
EVALUACION DE ENZIMA Y BIODISPERSANTES EN
PAPEL FINO ALCALINO
LECTURAS DE BIOMASA:
EVALUACION DE ENZIMA Y BIODISPERSANTES EN
PAPEL FINO ALCALINO
ASPECTOS DE SALUD Y REGULATORIOS
Los aspectos regulatorios han sido visualizados por los
proveedores de enzimas. En casi todos los casos la preocupación principal es que las enzimas se pueden convertir en un componente de los alimentos. Evidencia usada
por los proveedores de enzimas es consistente con la FDA
de E.U.A. en ignorar los productos o sustancias químicas
que migran desde el material del embalaje hacia los alimentos si la cantidad de sustancia química que migra es
insignificante. Sobre esta evidencia, la FDA ha no considerado la mayoría de las enzimas como aditivos de alimentos
y no ha requerido revisión de premercado y aprobación.
La experiencia de nuestra compañía con la FDA con respecto a esto ha sido consistente con los proveedores de
enzimas. Por supuesto, cualquier otro químico usado en
enzimas formuladas o biodispersante debe ser aprobado
por la FDA para uso en grados de papeles y cartones en
contacto con alimentos.
Las preocupaciones en salud con formulaciones que
contienen enzimas líquidas son de mucho menor magnitud que para otros productos convencionales usados para
dispersión de lama. Típicamente, estas son muy similares
a las de detergentes suaves y en el caso de los surfactantes similares a aquellas para detergentes de limpieza para
el hogar y shampoos.
DESARROLLOS ACTUALES CON
BIO-DISPERSANTES Y ENZIMAS
Además del control de depósitos biológicos, algunos
de nuestros actuales desarrollos en aplicaciones biotecnológicas para la industria de pulpa y papel incluyen:
• Boilouts basados en enzimas conducidos para depósitos específicos sin necesidad de usar ácidos fuertes o
álcalis.
• Uso de enzimas como auxiliares en secuencias de
destintado para mejorar la remoción de pintas y el drenaje
de fibras secundarias sin refinación adicional.
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CELULOSA Y PAPEL
[Artículo Técnico]ASOCIACION TECNICA DE LA CELULOSA Y EL PAPEL
• Enzimas para control de pitch en pulpas CTMP y TMP
como también en pulpas kraft y al sulfito.
• Uso de enzimas y bio-dispersantes en tratamiento de
efluentes de fábrica para controlar niveles de DBO y acelerar el tiempo de tratamiento.
• Xilanasas que trabajen sobre un rango de pH y temperaturas más amplio y que tengan poco o nada de efecto
sobre el rendimiento de la pulpa.
Nosotros anticipamos progresos rápidos en éstas y
otras aplicaciones a medida que la biotecnología se vuelva
más dominante en los procesos de pulpaje y fabricación
de papel.
AGRADECIMIENTOS
Nos gustaría agradecer la ayuda de muchos asociados
incluyendo a Matt Brown, Mike Elmore, Chip Hill, Phil Hoekstra, Percy Jaquess, Lowell Lott, David Oppong, Eddie
Van Haute y a nuestro grupo de Comunicaciones de Comercialización.
BIBLIOGRAFÍA
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